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航空材料為什么非得要用鈦合金?

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-12  來源:中國機電產品交易網
核心提示:鈦在航空上已應用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應用是由于它有適于飛機應用的許多寶貴特性。今天我們就來講講航空材料為什么非得要用鈦合金。

    鈦與航空有著不解之緣。1953年,在美國道格拉斯公司生產的DC-T機發動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材,從而揭開了鈦航空應用的歷史。從那時以來,鈦在航空上已應用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應用是由于它有適于飛機應用的許多寶貴特性。今天我們就來講講航空材料為什么非得要用鈦合金。

   一、鈦的簡介

    1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。

    鈦在地殼中含量較豐富,含量排第九位,遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中,特別是砂石和粘土中。

   二、鈦的特性

   強度高:是鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍,不銹鋼的3.5倍,金屬材料中的冠軍。

   熱強度高:使用溫度比鋁合金高幾百度,可在450~500℃的溫度下長期工作。

   抗蝕性好:耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕,對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。

   低溫性能好:間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。

   化學活性大:高溫時化學活性很高,輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應,生成硬化層。

   導熱系數小、彈性模量小:導熱系數約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。

   三、鈦合金的分類及用途

   鈦合金按用途可分為:耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬,鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。

   盡管鈦及其合金應用的歷史不長,但由于它那超眾的性能,已經獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫,特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金,大約有四分之三都用于航空航天工業。許多原來用鋁合金的部件,都改用了鈦合金。

   四、鈦合金的航空應用

    鈦合金主要用于飛機及發動機的制造材料,如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

    1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起,民用機開始大量使用鈦合金,如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發展,在火箭、人造衛星和宇宙飛船上,也用了大量的鈦合金。 

    飛機越先進,使用的鈦越多。美國F—14A戰斗機使用的鈦合金,約占機重的25%;F—15A戰斗機為25.8%;美國第四代戰斗機用鈦量為41%,其F119發動機用鈦量為39%,是目前用鈦量最高的飛機。

   五、鈦合金在航空中被大量應用的原因

   現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行,會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時,鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

   當航空發動機的推重比從4~6提高到8~10,壓氣機出口溫度相應地從200~300℃增加到500~600℃時,原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。

   近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作,不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金,最高工作溫度為550℃~600℃,而新研制的鈦化鋁(TiAl)合金,最高工作溫度已提高到1040℃。

   用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片,可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%,可節省燃料4%。對火箭來說,每減輕1kg的重量,就可增加15km的射程。

鈦合金材料飛機起落架零件

   六、鈦合金機加工特性分析

   首先,鈦合金導熱系數低,僅是鋼的1/4,鋁的1/13,銅的1/25。因切削區散熱慢,不利于熱平衡,在切削加工過程中,散熱和冷卻效果很差,易于在切削區形成高溫,加工后零件變形回彈大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快,耐用度降低。

   其次,鈦合金的導熱系數低,使切削熱積于切削刀附近的小面積區域內不易散發,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削熱不易散發,加速刀具磨損。最后,鈦合金化學活性高,在高溫下加工易與刀具材料起反應,形成溶敷、擴散,造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。

 
 
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